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DE10306697A1 - Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung

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Publication number
DE10306697A1
DE10306697A1 DE10306697A DE10306697A DE10306697A1 DE 10306697 A1 DE10306697 A1 DE 10306697A1 DE 10306697 A DE10306697 A DE 10306697A DE 10306697 A DE10306697 A DE 10306697A DE 10306697 A1 DE10306697 A1 DE 10306697A1
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DE
Germany
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web
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opening
components
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10306697A
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English (en)
Inventor
Kurt Weiblen
Christian Ohl
Oliver Kohn
Frieder Haag
Michael Honer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE10306697A1 publication Critical patent/DE10306697A1/de
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen zweier Bauteile (11, 12; 11a, 12a; 11b 12b) vorgeschlagen, bei dem am einen Bauteil (12; 12a; 12b) ein Steg (15; 15a, 15b) ausgebildet ist. Dieser Steg (15; 15a; 15b) greift in eine Ausnehmung (19; 29, 32) des anderen Bauteils (11; 11a, 11b) ein. Beim Laserschweißen wird Schmelze in diese Ausnehmung (19; 29; 32) verdrängt und sorgt damit für eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen (11, 12; 11a, 12a; 11b, 12b).

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der DE 44 32 081 A1 bekannt ist. Bei dem bekannten Verfahren wird vorgeschlagen, die zu verbindenden Teile zunächst durch Formschluß oder inneren Kraftschluß in der richtigen Endlage zueinander zu fixieren, wobei die Fügeflächen dabei in Kontakt geraten, und daß anschließend die Strahlungsenergie in die Fügeflächen eingebracht wird. Der Formschluß zwischen den beiden Bauteilen macht es erforderlich, daß ein Bauteil das andere Bauteil teilweise überdeckt, so daß der Laserstrahl in einem schrägen Winkel auf die Fügefläche auftrifft. Die Geometrie der Bauteile ist daher durch die erforderliche Zugänglichkeit des Laserstrahls im Bereich der Fügeflächen beschränkt, welche wiederum von der Geometrie des Formschlusses abhängig ist. Weiterhin müssen die beiden Bauteile zuerst in formschlüssigen Kontakt zueinander gebracht werden, was beispielsweise zusätzliche Montageeinrichtungen oder einen zusätzlichen Handhabungsaufwand erforderlich macht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die beiden zu verbindenden Teile ohne zusätzliche Montageeinrichtungen miteinander in Kontakt gebracht werden können und die Anordnung des Laserstrahls bezüglich der Geometrie der Fügeflächen unkritisch ist. Dies wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch erreicht, daß der Formschluß sich erst als Folge der Verbindung der beiden Teile einstellt, sobald Material des für Laserstrahlen undurchlässigen Materials eine Ausnehmung ausfüllt, welche in dem für den Laserstrahl durchlässigen Material ausgebildet ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung sind in den Unteransprüchen angegeben. Eine vollflächige und somit besonders feste Verbindung zwischen den beiden Bauteilen wird geschaffen, wenn die Fügeflächen als eine an den Bauteilen umlaufende, geschlossene Kontur ausgebildet ist. Die formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen stegförmigen Bereich am zweiten Bauteil gebildet, der in eine entsprechende Ausnehmung des ersten Bauteils hineinragt.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 zwei miteinander zu verbindende, rotationssymmetrische Bauteile in einem Längsschnitt,
  • Fig. 2 einen Teil der Fig. 1 bei einem ersten, abgewandelten Ausführungsbeispiel,
  • Fig. 3 einen Teil der Fig. 1 bei einem zweiten, abgewandelten Ausführungsbeispiel und
  • Fig. 4 die Verbindung der beiden Bauteile nach Fig. 3 nach erfolgter Laserschweißung.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In der Fig. 1 sind zwei miteinander zu verbindende Bauteile 11, 12 dargestellt, welche bezüglich einer Symmetrieachse 13 rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Das erste Bauteil 11 besteht aus einem für Laserstrahlung durchlässigen Kunststoffmaterial, während das zweite Bauteil 12 aus einem Laserstrahlung absorbierenden Kunststoffmaterial besteht. Die Absorption von Laserstrahlung im zweiten Bauteil 12 wird beispielsweise durch eine entsprechende Einfärbung des Kunststoffmaterials bzw. Beimengung entsprechender Zusätze, wie Füllstoffe oder Pigmente, erzeugt. Das zweite Bauteil 12 weist auf der dem ersten Bauteil 11 zugewandten Seite einen beabstandet zu seinem Außenumfang 14 umlaufenden Steg 15 auf, welcher im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist. Die Oberseite des Steges bildet eine erste Fügefläche 16 aus, welche mit der entsprechend zugewandten Unterseite des ersten Bauteils 11, welche in diesem Bereich eine zweite Fügefläche 17 ausbildet, zusammenwirkt.
  • Der Steg 15 ragt in eine am ersten Bauteil 12 als Hinterschnitt ausgebildete Ausnehmung 19 hinein. Diese Ausnehmung 19 wird von zwei, im Querschnitt L-förmigen Fortsätzen 20, 21 an der Unterseite des ersten Bauteils 11 gebildet. Da diese Fortsätze 20, 21 entsprechend dem Steg 15 ebenfalls umlaufend am ersten Bauteil 11 ausgebildet sind, umgreifen die Fortsätze 20, 21 den Steg 15 auf der dem zweiten Bauteil 12 zugewandten Seite nahezu lückenlos. In der Ausnehmung 19 wird durch die Form der Fortsätze 20, 21 ferner jeweils ein Hohlraum 23, 24 ausgebildet. In dem montierten, jedoch noch nicht durch Laserstrahlung verbundenen Zustand der beiden Bauteile 11, 12 sind die beiden Fortsätze 20, 21 zur Oberseite des zweiten Bauteils 12 hin beabstandet, so daß sich ein mit S bezeichneter Abstand ergibt (Fig. 1).
  • Die beiden Bauteile 11, 12 werden nach deren Montage durch im äußeren Bereich auf die Bauteile 11, 12 einwirkende Fügekräfte F gegeneinander gepreßt, so daß insbesondere der Steg 15 gegen die Unterseite des ersten Bauteils 11 anliegt, d. h. die beiden Fügeflächen 16, 17 gegeneinander gepreßt sind. Von der Seite des ersten Bauteils 11 her wirkt ein Laserstrahl 25, welcher koaxial zur Symmetrieachse 13 angeordnet ist, auf die Fügeflächen 16, 17 ein. Dies erfolgt dadurch, daß der Laserstrahl 25 das erste Bauteil 11, welches für die Laserstrahlung durchlässig ist, durchdringt, und im Bereich der Fügeflächen 16, 17 vom Steg 15 des zweiten Bauteils 12 absorbiert wird. Durch die Absorption und die damit verbundene Wärmeentwicklung schmelzt der Steg 15 im Bereich der Fügeflächen 16, 17 auf, wobei sich die Wärme durch den Kontakt der beiden Bauteile 11, 12 auch in das erste Bauteil 11 hinein überträgt. Dadurch entsteht auf an sich bekannte Weise ein Schmelzbereich in den beiden Fügeflächen 16, 17, der für eine innige Verbindung der beiden Bauteile 11, 12 sorgt. Infolge der Fügekräfte F und dem Aufschmelzen des Materials im Bereich der Fügeflächen 16, 17 bewegt sich das erste Bauteil 11 gegen das zweite Bauteil 12, bis der Abstand S Null ist. Das dabei verdrängte Material des Stegs 15 verteilt sich in der Ausnehmung 19 bzw. den beiden umlaufenden Hohlräumen 23, 24 und sorgt so für einen zusätzlichen, insbesondere koaxial zur Symmetrieachse 13 wirkenden Formschluß zwischen den beiden Bauteilen 11, 12.
  • Bei der in der Fig. 2 abgewandelten Ausführungsform sind keine L-förmigen Fortsätze an der Unterseite des ersten Bauteils 11a vorgesehen. Vielmehr weist das erste Bauteil 11a einen umlaufenden Fortsatz 27 auf, in dem eine ebenfalls umlaufende Nut 28 ausgebildet ist, welche den Steg 15a des zweiten Bauteils 12a formschlüssig aufnimmt. Über den Umfang des Fortsatzes 27 verteilt sind in dem Fortsatz 27 mehrere Querbohrungen 29 ausgebildet. Diese Querbohrungen 29 bilden beiderseits des Stegs 15a je einen Raum 30,31 in Art eines Hinterschnittes aus, der beim Verbinden der beiden Bauteile 11a, 12a zumindest teilweise mit Schmelze des Stegs 15a ausgefüllt wird, wodurch ebenfalls eine formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Bauteilen 11a, 12a hergestellt wird.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 3 weist das erste Bauteil 11b im Gegensatz zu den ersten Bauteilen 11, 11a entsprechend der Fig. 1 und 2 an seiner Unterseite keinen Fortsatz 20, 21 bzw. 27 auf. Vielmehr ist das erste Bauteil 11b als plattenförmiges Bauteil ausgebildet, wobei im Bereich des Stegs 15b des zweiten Bauteils 12b eine umlaufende, im Querschnitt trapezförmige Ringnut 32 ausgebildet ist. Die Ringnut 32 umfaßt den Steg 15b auf der dem zweiten Bauteil 12b zugewandten Seite nahezu lückenlos und bildet zum Steg 15b hin zwei im Querschnitt dreiecksförmige, ebenfalls umlaufende, hinterschnittartige Ringräume 34, 35 aus. Die Höhe des Stegs 12b ist derart bemessen, daß zwischen den beiden einander zugewandten Seiten des ersten und zweiten Bauteils 11b, 12b ein Spalt A ausgebildet ist.
  • Entsprechend der Fig. 4 liegt das erste Bauteil 11b nach dem Laserschweißen auf dem zweiten Bauteil 12b vollflächig auf, wobei Schmelze des Steges 15b die beiden Ringräume 34, 35 zumindest teilweise ausfüllt und so für den Formschluß zwischen den beiden Bauteilen 11b, 12b sorgt.
  • Bei den bisher dargestellten und besprochenen Ausführungsbeispielen wurden jeweils am zweiten Bauteil 12, 12a, 12b umlaufende Stege 15, 15a, 15b ausgebildet. Demzufolge ergeben sich beim Laserschweißen geschlossene Konturen bzw. Fügeflächen, welche durch einen Laserstrahl 25 erzeugt werden, der entlang der Kontur des Stegs 15, 15a, 15b geführt wird. In Abänderung der dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele ist es selbstverständlich auch möglich, derartige Laserverbindungen nur punktuell vorzusehen. Das bedeutet, daß der Laserstrahl 25 beispielsweise nur in bestimmten Winkelabständen (bei rotationssymmetrischen Bauteilen) aktiviert wird, bzw. daß der Steg 15, 15a, 15b sowie entsprechend die Fortsätze 20, 21, 27 bzw. die Ringnut 32 nur abschnittsweise an den Bauteilen ausgebildet sind. In jedem Fall wird jedoch neben der eigentlichen Laserverschweißung zwischen den beiden Bauteilen eine zusätzliche, formschlüssige Verbindung zwischen den Bauteilen hergestellt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Schweißverbinden von Kunststoffteilen mit Hilfe von Laserstrahlung (25), bei dem ein erstes, für die Laserstrahlung (25) durchlässiges Bauteil (11; 11a; 11b) mit einem zweiten, für die Laserstrahlung (25) undurchlässigen Bauteil (12; 12a; 12b) unter Einwirkung einer Fügekraft (F) im Bereich von Fügeflächen (16, 17) miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufschmelzen des zweiten Bauteils (12; 12a; 12b) im Bereich der Fügeflächen (16, 17) Material in den Bereich wenigstens einer in dem ersten Bauteil (11; 11a; 11b) als Hinterschnitt ausgebildeten Ausnehmung (19; 29; 32) verdrängt wird, wobei das Material nach dem Erstarren in Verbindung mit der wenigstens einen Ausnehmung (19; 29; 32) für einen zusätzlichen, insbesondere koaxial zu einer Symmetrieachse (13) wirkenden Formschluß zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (11, 12; 11a, 12a; 11b, 12b) sorgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügeflächen (16, 17) als eine an den Bauteilen (11, 12; 11a, 12a; 11b, 12b) umlaufende, geschlossene Kontur ausgebildet sind und daß die Laserstrahlung (25) durch Entlangführen entlang der Kontur in die Fügeflächen (16, 17) eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil (12; 12a; 12b) wenigstens einen steg- oder stiftförmigen Fortsatz (15; 15a; 15b) aufweist, dessen dem zweiten Bauteil (12; 12a; 12b) abgewandte Seite die eine Fügefläche (16) ausbildet, daß der wenigstens eine steg- oder stiftförmige Fortsatz (15; 15a; 15b) in die wenigstens eine am ersten Bauteil (11; 11a; 11b) ausgebildete Ausnehmung (19; 29; 32) hineinragt und daß die wenigstens eine Ausnehmung (19; 29; 32) auf der der einen Fügefläche (16) abgewandten Seite den wenigstens einen steg- oder stiftförmigen Fortsatz (15; 15a; 15b) nahezu lückenfrei umschließt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Ausnehmung (19; 29; 32) als umlaufende Nut ausgebildet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Ausnehmung (19) von zwei im Querschnitt L-förmigen Schenkeln (20, 21) gebildet ist, welche am ersten Bauteil (11) ausgebildet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Ausnehmung (32) im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Ausnehmung von einer Querbohrung (29) gebildet ist.
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